全新等离子芯片，利用光进行超快速的数据传输

2020-07-05 14:00:30 来源: 半导体行业观察

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ETH研究人员已经构建了一种超高速芯片，可以加快光纤网络中的数据传输速度。该芯片同时结合了多项创新技术，鉴于对流媒体和在线服务的需求不断增长，这是一项重大突破。

图：新的高度紧凑的芯片首次将最快的电子和基于光的元件集成到单个组件中。（图片来源：苏黎世联邦理工学院/自然电子）

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经实现了科学家20年来一直在尝试的工作：在作为Horizon 2020研究计划一部分的实验室工作中，他们制造了一种芯片，可以在该芯片上将快速电子信号直接转换为超快光信号–几乎没有信号质量损失。这在使用光传输数据的光通信基础架构（例如光纤网络）的效率方面代表了一项重大突破。

在苏黎世等城市，这些光纤网络已被用于提供高速互联网，数字电话，电视以及基于网络的视频或音频流服务。然而，到本十年末，在快速数据传输方面，即使这些光通信网络也可能达到其极限。

这是由于对流，存储和计算的在线服务的需求不断增长，以及人工智能和5G网络的出现。当今的光网络实现了每秒千兆比特范围内的数据传输速率。每个通道和波长的限制约为100吉比特。但是，将来，传输速率将需要达到太比特区域（每秒10 12位）。

新增：电子和光子在同一芯片上

ETH光电与通信教授Juerg Leuthold说：“不断增长的需求将需要新的解决方案。这种模式转变的关键在于将电子和光子元件组合在单个芯片上。” 光子学（光粒子科学）领域研究用于信息传输，存储和处理的光学技术。

ETH研究人员现在已经精确地实现了这种结合：在与德国，美国，以色列和希腊的合作伙伴合作进行的实验中，他们能够将电子和基于光的元素首次集成在同一芯片上。从技术角度来看，这是非常重要的一步，因为这些元件当前必须在单独的芯片上制造，然后通过导线连接。

这种方法会带来后果：一方面，分别制造电子芯片和光子芯片很昂贵。另一方面，它在电子信号转换为光信号的过程中会影响性能，从而限制了光纤通信网络中的传输速度。自然电子杂志。

紧凑的尺寸实现最高速度

“如果使用单独的芯片将电子信号转换为光信号，则会损失大量信号质量。这也限制了光数据传输的速度。”科赫说。因此，他的方法从调制器开始，调制器是芯片上的组件，可通过将电信号转换为光波来生成给定强度的光。调制器的尺寸必须尽可能小，以避免在转换过程中质量和强度的损失，并且为了以更快的速度传输光（或者更确切地说是数据）。

图：由于在单个芯片上结合了电子技术和等离激元技术，因此可以放大光信号，并且可以更快地传输数据

通过将电子和光子组件紧紧地放在彼此的顶部并通过“片上通孔”将它们直接连接到芯片，可以实现这种紧凑性。电子器件和光子器件的这种分层缩短了传输路径，并减少了信号质量方面的损失。由于电子和光子学是在一个基板上实现的，因此研究人员将这种方法称为“单片共集成”。

在过去的20年中，单片方法失败了，因为光子芯片比电子芯片大得多。Juerg Leuthold说，这阻止了它们合并在单个芯片上。光子元件的尺寸使其无法与当今电子设备中普遍使用的CMOS技术结合使用。

等离子：半导体芯片的魔力药水

Leuthold说：“现在，我们通过用等离子代替光子学，克服了光子学与电子学之间的尺寸差异。” 十年来，科学家一直在预测，作为光子学分支的等离子可以为超快芯片提供基础。等离子可用于将光波压缩到比光的波长小得多的结构中。

由于等离子芯片比电子芯片小，因此实际上可以制造出结合了光子层和电子层的更紧凑的单片芯片。为了将电信号转换为更快的光信号，光子层（在图中以红色显示）包含等离子体强度调制器。这是基于引导光以达到更高速度的金属结构。

结合以达到创纪录的速度

这是电子层速度提高（图形中以蓝色显示）的补充。在称为“ 4：1复用”的过程中，四个低速输入信号被捆绑和放大，以便它们一起形成高速电信号。“然后将其转换为高速光信号，”科赫说。“通过这种方式，我们首次能够以每秒100吉比特的速度在单片芯片上传输数据。”

为了达到破纪录的速度，研究人员不仅将等离子技术与经典的CMOS电子技术相结合，而且还与更快的BiCMOS技术相结合。他们还利用了来自华盛顿大学的新型温度稳定的电光材料以及Horizon 2020项目PLASMOfab和plaCMOS的见解。根据Leuthold的说法，他们的实验表明，可以将这些技术组合起来，以制造出最快的紧凑型芯片之一：“我们坚信，该解决方案还可以为未来的光通信网络中更快的数据传输铺平道路。”

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